熱電偶冷端溫度補(bǔ)償方法研究

胡春紅，赫 君，李 雷

（1. 中國(guó)人民解放軍空軍航空大學(xué)控制工程系，吉林 長(zhǎng)春 130022；2. 中國(guó)人民解放軍信息工程大學(xué)理學(xué)院，河南 鄭州 450002；3. 中國(guó)人民解放軍空軍航空大學(xué)航空機(jī)械工程系，吉林 長(zhǎng)春 130022）

1 引言

熱電偶作為一種溫度傳感器，具備許多優(yōu)良的特性。熱電偶是由兩種不同的金屬或半導(dǎo)體材料組成的測(cè)量元件，它感受的是偶絲兩端——熱端T（亦稱工作端）和冷端T0（亦稱參考端）的溫度差，從而產(chǎn)生熱電勢(shì)。因此，必須知道熱電偶冷端的溫度，才能測(cè)量熱電勢(shì)，最終測(cè)量出熱電偶熱端的溫度。在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量熱端溫度的結(jié)果都是在冷端溫度T0不變，也就是在0 ℃的條件下得到的。由于冷端溫度常隨室溫變化，所以在測(cè)量實(shí)際中，熱電偶的冷端大都采用冷端溫度補(bǔ)償法來解決。

熱電偶冷端溫度的補(bǔ)償方法較多。在工業(yè)儀表和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，不同的補(bǔ)償方法有其各自的特性與應(yīng)用。

2 補(bǔ)償方法

2.1 補(bǔ)償導(dǎo)線法

補(bǔ)償導(dǎo)線法，就是用一對(duì)與所使用的熱電偶具有相同熱電特性的廉價(jià)金屬，作為連接導(dǎo)線來連接熱電偶冷端和指示器的。

如果用虛線表示的A'、B'就表示熱電偶金屬A、B的補(bǔ)償導(dǎo)線。設(shè)熱電偶熱端的溫度為T，冷端實(shí)際溫度為Tn，補(bǔ)償導(dǎo)線的冷端溫度為T0，則回路總接觸電勢(shì)可以表示為：

由于金屬A和A'，B和B'具有相同的熱電特性，可以看做是同一種金屬，它們接觸面上不產(chǎn)生接觸電勢(shì)，第二項(xiàng)、第四項(xiàng)為0。

總溫差電勢(shì)可表示為：

由于金屬A和A'，B和B'具有相同的熱電特性，則：

總熱電勢(shì)等于總接觸電勢(shì)和總溫差電勢(shì)的代數(shù)和：

可以看出，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)與回路中間溫度無關(guān)。所以回路總的熱電勢(shì)等于熱電偶熱端溫度為T，冷端溫度為T0時(shí)的熱電勢(shì)。

這樣，利用補(bǔ)償導(dǎo)線，無論熱電偶的實(shí)際冷端溫度如何變化，消除了指示誤差，完成了冷端溫度補(bǔ)償。

2.2 冰浴法

冰浴法是利用冰水混合物能較長(zhǎng)時(shí)間地保持在0 ℃不變的特性，將熱電偶冷端置于裝有冰水混合物的恒溫容器中，來保證冷端溫度為0 ℃的。但是由于長(zhǎng)時(shí)間工作，冰也難免會(huì)融化，所以這種方法在實(shí)驗(yàn)室使用較多。

2.3 補(bǔ)償電橋法

補(bǔ)償電橋法，是指在測(cè)量回路里面，在冷端串聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償電橋。熱電偶的熱端感受被測(cè)溫度，它的冷端與補(bǔ)償電橋相連接。整個(gè)補(bǔ)償電橋由全波整流電橋、濾波電路、穩(wěn)壓二極管和由三個(gè)電阻和熱敏電阻Rt共同組成的電橋四部分所組成。全波整流的工作電壓是交流電，全波整流電路將交流電變成一個(gè)脈動(dòng)的直流電壓，再經(jīng)過由電容和電阻組成的濾波電路濾去其中的紋波，從而得到一個(gè)相對(duì)平滑的直流電壓，最后由穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的電橋的工作電壓。

熱敏電阻感受被測(cè)溫度。當(dāng)冷端溫度為0 ℃時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，電橋無輸出，沒有對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端溫度的補(bǔ)償。

當(dāng)熱電偶的冷端溫度高于0 ℃時(shí)，熱電偶的熱電勢(shì)由于冷端溫度的升高而減小，這時(shí)熱敏電阻的阻值增加，使得電橋不再平衡，產(chǎn)生一不平衡電壓 Uab，與熱電偶的熱電勢(shì)一起送入儀表中。只要我們選取合適的Rt，就可以恰好補(bǔ)償。同樣，當(dāng)冷端溫度低于0 ℃時(shí)，補(bǔ)償電橋可以完成冷端溫度補(bǔ)償，從而儀表指示正確的溫度。

補(bǔ)償電橋法是利用不平衡引起的熱電勢(shì)的變化值。適當(dāng)選擇橋臂電阻可使不平衡電壓Uab正好補(bǔ)償冷端溫度變化引起的熱電勢(shì)的變化值。只要保證總電壓不受溫度影響，也就完成了冷端溫度的補(bǔ)償。這種方法，線路簡(jiǎn)單、成本較低、適用于環(huán)境溫度在－25～80 ℃的范圍內(nèi)。

2.4 其他補(bǔ)償方法

除了上述方法，還有二極管補(bǔ)償法、集成溫度傳感器補(bǔ)償法、恒溫遷移補(bǔ)償法、計(jì)算修正法、軟件補(bǔ)償法、最小二擬合法等等。二極管補(bǔ)償法是利用二極管兩端電壓隨溫度變化特性對(duì)熱電偶進(jìn)行溫度補(bǔ)償。集成溫度傳感器補(bǔ)償法是由溫度傳感器測(cè)得冷端溫度，與熱電偶所測(cè)溫差疊加，再得到熱端溫度。恒溫遷移補(bǔ)償法是人為顯示或記錄儀表零點(diǎn)調(diào)到環(huán)境溫度。計(jì)算修正法是利用中間溫度定律，結(jié)合查表計(jì)算得到。軟件補(bǔ)償法是熱電偶的冷端溫度傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)電路模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換后，再由單片機(jī)內(nèi)程序進(jìn)行冷端補(bǔ)償。最小二乘擬合法是利用最小二乘法原理，找出擬合方程，求出測(cè)點(diǎn)溫度。

3 結(jié)束語

熱電偶在使用中產(chǎn)生的誤差主要由冷端溫度變化引起。只有當(dāng)熱電偶冷端溫度保持不變時(shí)，熱電偶輸出的熱電勢(shì)才是被測(cè)溫度的單值函數(shù)。而在實(shí)際應(yīng)用中，由于環(huán)境溫度變化的影響，冷端溫度難以保持恒定，故需進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。

各種補(bǔ)償方法有其自身側(cè)重點(diǎn)，在實(shí)際工作中，要根據(jù)工作實(shí)際需要，結(jié)合具體環(huán)境，選用合適補(bǔ)償方法，以達(dá)到良好的效果，對(duì)于熱電偶測(cè)溫具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 鄭曉文.關(guān)于熱電偶冷端補(bǔ)償問題的探討［J］.宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2002（6）：53～54

2 張亞剛.航空儀表設(shè)備［M］.長(zhǎng)春：空軍裝備部，2007：16～26

3 王淑英.幾種熱電偶冷端補(bǔ)償方法比較研究［J］.科技視野，2009（3）：75～76